近日，德国马克斯·普朗克高分子研究所（Max PlanckInstitute for Polymer Research, MPIP）联合德国电子同步加速器研究所（DESY）、乌尔姆大学、剑桥大学等机构，在《Nature》发表题为“Bottom-up synthesis of molecularnanodiamond from nanographene”的研究论文。研究团队以结构明确的分子纳米石墨烯为前驱体，在高温高压条件下合成出尺寸仅为 3–4 nm、分布均一且结晶度高的分子纳米金刚石。

本项研究的原位观测和合成流程复现均使用了德国 Max Voggenreiter（沃根瑞特）高温高压设备：DESY PETRA III P61B 线站的 LPQ6-1500 真三轴大腔体压机用于原位能量色散 X 射线衍射（ED-XRD），实时追踪分子纳米石墨烯在高温高压下的结构转变；之后，研究人员又使用马普高分子所的 LP 1000-540/50 多面砧大腔体压机，复现了样品合成流程。

图 1 分子纳米石墨烯与石墨在 13 GPa、1200 ℃条件下表现出不同的转化行为。图片来源：Liang et al., Nature(2026)

高温高压打开分子级金刚石合成新路径

纳米金刚石中的色心可用于量子计算、纳米核磁共振、单自旋磁力测量、量子成像和单光子源。然而，传统爆轰、研磨、化学气相沉积及高温高压路线得到的纳米金刚石，往往在尺寸、形貌、杂质含量和缺陷质量方面存在较大差异。如何从合成起点控制颗粒尺寸和组成，一直是该领域的重要挑战。

本研究采用氢终止的分子纳米石墨烯 C96H30作为化学限域前驱体。与普通石墨不同，这一前驱体在反应前已经具有确定的碳骨架、分子尺寸和氢含量。在 13 GPa、1200℃下保温 2 小时后，分子纳米石墨烯可定量转化为分子纳米金刚石；相同条件下，石墨则仍保留大量原有层状结构。整个过程无需金属催化剂，并可实现毫克级制备。

图 2 高温高压处理后产物的 XRD、电子衍射、HRTEM、尺寸分布及 EELS 表征。平均粒径为 4.0 +/- 1.4 nm。图片来源：Liang et al., Nature (2026)

两套沃根瑞特大腔体压机支撑原位研究与流程复现

原位 ED-XRD 实验在 DESY PETRA IIIP61B 线站的沃根瑞特 LPQ6-1500 真三轴压机上完成。该设备采用六缸独立控制，压砧位移精度达到1um，与同步辐射高能 X 射线系统结合，可在本研究设定的 13 GPa、最高 1200 ℃条件下实时记录样品结构变化。实验中，样品先以约 3 GPa/小时的速率加压至目标压力，再以 20 ℃/分钟升温至目标温度，保温 2 小时后断电淬火，最后在 9–12 小时内缓慢卸压。

LPQ6-1500 的原位数据清晰显示：分子纳米石墨烯的层状结构相关信号在升温和保温过程中快速衰减，1200 ℃保温 90 分钟后已不可检测，同时出现并持续增强的金刚石特征反射；相同条件下，石墨仍保留明显的层状结构信号。这一对比为分子限域和氢辅助的金刚石转化机制提供了直接实验证据。

在马普所，研究人员进一步使用沃根瑞特 Mavo Press LP 1000-540/50 多面砧压机复现了样品合成流程。温度采用钨铼热电偶预先标定，实验使用与 P61B 线站相同的高压组装，并采用相近的升温及加卸压程序。LPQ6-1500 与 LP 1000-540/50 分别承担原位表征和合成复现任务，共同保证了实验过程的可观测性与合成路线的可重复性。

图 3 沃根瑞特 LPQ6-1500 在 DESY P61B 线站获得的原位 ED-XRD 数据显示：分子纳米石墨烯在 1200 ℃保温 90 分钟后，其层状结构相关信号已不可检测，而石墨仍保留明显信号。图片来源：Lianget al., Nature (2026)

获得 3–4 nm 高结晶分子纳米金刚石

XRD、Raman、HRTEM、SAXS、AFM 和 EELS 等多种表征共同证实，所得分子纳米金刚石尺寸集中在 3–4 nm，HRTEM 测得平均粒径为 4.0 +/- 1.4 nm。颗粒具有较高结晶度和近等轴形貌，表面仅存在一层厚度不超过0.5 nm 的富 sp2 重构层。即使未经合成后粒径分级，样品仍表现出较窄的尺寸分布。

研究团队进一步提出，前驱体中的氢含量决定了可用于金刚石表面钝化的氢储量，从而限制最终颗粒尺寸。对于 C96H30，H/C 比为 0.3125，模型预测粒径约为 3 nm，与实验结果吻合。这一结果说明，纳米金刚石的尺寸有望从传统的合成后筛选，前移到分子前驱体设计阶段。

一步引入 SiV- 和 GeV- 发光色心

除纯分子纳米金刚石外，研究团队还将分子纳米石墨烯与含硅或含锗前驱体共同进行高温高压反应，在合成过程中直接引入SiV- 和 GeV- 色心。所得样品分别在 738 nm 和 603 nm 处出现特征零声子线，无需离子注入、辐照或合成后处理。

这一两组分合成策略把颗粒形成与功能缺陷引入整合到同一步骤中，为荧光纳米金刚石、量子传感材料及纳米尺度光学器件提供了模块化的制备思路。

图 4 采用两组分高温高压路线一步合成含 SiV- 和 GeV- 色心的荧光纳米金刚石。图片来源：Liang et al., Nature (2026)

研究意义

这项工作展示了从结构明确的分子纳米石墨烯出发，自下而上合成高质量分子纳米金刚石的可行路径。前驱体同时限定碳骨架和氢含量，使颗粒尺寸、组成及发光功能可以在高温高压反应前进行设计。沃根瑞特 LPQ6-1500 与 Mavo Press LP 1000-540/50 在研究中分别完成同步辐射原位结构追踪和样品合成流程复现，体现了沃根瑞特大腔体压机在极端条件原位实验与高温高压材料合成中的平台能力。

论文信息

论文题目：Bottom-up synthesis of molecular nanodiamondfrom nanographene

中文题目：从纳米石墨烯自下而上合成分子纳米金刚石

期刊：Nature 655, 102–108 (2026)

第一作者：Jiaxu Liang、ChristopherP. Ender（共同第一作者）

通讯作者：Yingke Wu、Tanja Weil

DOI：10.1038/s41586-026-10669-3

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